Farbe – vom Seherlebnis zu Kennzahlen

Abb.1: Elemente, die die Farbwahrnehmung beeinflussen.

Ein Beitrag aus der GDCh-Fachgruppe Lackchemie

Zehn Millionen - so viele Farbtöne kann das menschliche Auge unterscheiden.

Kein Wunder, dass wir Farben nicht im Gedächtnis behalten können, geschweige denn, eine bestimmte Farbe wiedererkennen. Dennoch erlangt Farbe als Qualitätskriterium in der Industrie immer größere Bedeutung.

Ein einheitlicher Farbton spielt heute bei vielen Produkten eine große Rolle. Dies zu erreichen ist schon schwierig genug, wenn die Einzelteile eines Produkts in verschiedenen Abteilungen einer Firma hergestellt werden; weitaus komplizierter wird es jedoch, wenn mehrere Lieferanten betroffen sind. Letzten Endes aber muss die Farbe stimmen.

Die visuelle Beurteilung der Farbe wird stark von der individuellen Farbwahrnehmung des Beobachters (Stimmung, Alter usw.) und den äußeren Einflüssen wie Umgebungsfarbe und -helligkeit beeinflusst. Außerdem sind unsere Möglichkeiten begrenzt, einen Farbeindruck in Worte zu fassen und Farbunterschiede zu dokumentieren.Nur der Einsatz von Farbmessgeräten mit international genormten Farbsystemen kann hier Abhilfe schaffen. So wird eine objektive Beschreibung von farbigen Gegenständen sichergestellt.

Unsere Farbwahrnehmung wird von drei Elementen beeinflusst: Lichtquelle, Probe und Beobachter.

Abb.2: Weißes Tageslicht<br />in die Spektralfarben zer-<br />legt (z.B. im Regenbogen)

Lichtquelle

Farben verändern sich mit der Beleuchtung. Aus diesem Grund müssen die verwendeten Lichtquellen definiert werden. Eine für die Farbmessung geeignete Lichtquelle muss kontinuierlich Energie über das gesamte sichtbare Spektrum (400 bis 700 nm) abgeben.

Die CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) definiert eine Lichtquelle durch die Menge der emittierten Energie bei jeder Wellenlänge (= relative spektrale Energieverteilung).

Die wichtigsten Normlichtarten sind:

Tageslicht D65, C

Glühlampenlicht A

Leuchtstoffröhren F2, F11


Abb.3: relative spektrale Energieverteilung

Beobachter

Ohne Beobachter ist Farbe nicht wahrzunehmen. Das von einem farbigen Gegenstand reflektierte Licht fällt durch die Linse des menschlichen Auges auf die Netzhaut. Dort befinden sich drei verschiedene Arten lichtempfindlicher Rezeptoren: eine Art reagiert auf rotes Licht, die zweite auf grünes Licht und die dritte auf blaues Licht. Alle zusammen lassen im Gehirn den Eindruck von Farbe entstehen.

Objekt

Lichtquelle und Beobachter sind durch die CIE genormt, und die spektralen Funktionen sind in den Farbmessgeräten gespeichert. Als einzige Variablen sind die optischen Eigenschaften des Gegenstandes zu bestimmen.

Moderne Farbmessgeräte messen den Anteil des Lichtes, der von einem farbigen Gegenstand reflektiert wird. Dies erfolgt bei jeder Wellenlänge, und diese Daten werden Spektraldaten genannt.

Zum Beispiel wird von einem schwarzen Gegenstand über das gesamte Spektrum kein Licht reflektiert (0% Reflexion), wohingegen eine ideale weiße Oberfläche nahezu das gesamte Licht reflektiert (100% Reflexion). Alle anderen Farben reflektieren Licht nur in bestimmten Teilen des Spektrums. So hat jede Farbe ihre spezifische Spektralkurve - sozusagen ihren eigenen Fingerabdruck


Abb.4: Farben und ihre spezifischen Spektralkurven

Farbsysteme

Farbsysteme kombinieren die Informationen der drei Elemente: Lichtquelle, Beobachter & Objekt

Sie bilden das Werkzeug, um über Farbe und Farbunterschiede sprechen zu können und diese zu dokumentieren. Das System, das die CIE empfiehlt und das sich heute – zumindest im Lackbereich - weitgehend durchgesetzt hat, ist der CIEL*a*b* Farbenraum.

Abb. 5: Der CIEL*a*b* Farbenraum

Er besteht aus den beiden Achsen a* und b*, die im rechten Winkel zueinander stehen und den Farbton definieren. Die dritte Achse bezeichnet die Helligkeit L*. Diese steht senkrecht zu der a*b* Fläche. In diesem System kann jede Farbe durch die Koordinaten L*, a*, b* dargestellt werden. Alternativ werden für bestimmte Zwecke L*, C*, h° benutzt. C* (= Chroma) stellt die Sättigung oder Buntheit der Farbe dar; der Winkel h° ist eine andere Bezeichnung für den tatsächlichen Farbton (= Farbtonwinkel).

Die Koordinaten haben ihren Ursprung und werden auch berechnet aus

  • der spektralen Empfindlichkeit unseres Auges (Zäpfchen und Stäbchen),
  • der spektralen Zusammensetzung des verwendeten Lichtes und
  • der Reflexionskurve des (beleuchteten) Objektes.


Um einen Farbton z.B. eines Autos immer konstant zu liefern, muss ein Standard festgelegt und die laufende Produktion mit diesem Standard verglichen werden – eine typische Kunden/Lieferanten Situation. Aus diesem Grund werden stets Farbdifferenzen, nicht absolute Werte kommuniziert.

Üblicherweise wird dabei der Gesamtfarbabstand ΔE* zur Darstellung von Farbabweichungen herangezogen.

Zwei Probenpaare können denselben ΔE* Wert aufweisen, visuell jedoch unterschiedlich aussehen:

Die Differenzen lassen sich wie folgt im Farbenraum verfolgen:

Abb. 6: Richtungen von Farbabweichungen und Darstellung im Farbenraum<br />Kunde und Lieferant müssen sich auf die zulässigen Farbunterschiede einigen. Diese Toleranzen hängen sowohl von den Anforderungen als auch den technischen Möglichkeiten ab.

Farbmessgeräte / Wie wird beleuchtet?

In der Industrie haben sich zwei Messanordnungen durchgesetzt: 45/0 und Kugelgeometrie. Der Grund: Wir wollen Farbe in Zahlenwerten, wie das Auge sie sieht.

Bei der 45/0 Geometrie wird unter einem Winkel von 45° zirkular beleuchtet und senkrecht zur Oberfläche unter 0° gemessen. Die Rundumbeleuchtung ist unabdingbar für wiederholbare Messergebnisse auf strukturierten und richtungsabhängigen Oberflächen.

<br />Abb.7: 45/0 Mess-Geometrie

Mit dieser Geometrie wird Farbe wie unter normalen Abmusterungsbedingungen ausgewertet. Lesen wir zum Beispiel ein Hochglanzmagazin, dann halten wir es so, dass wir vom Glanz nicht geblendet werden.

Wenn wir einen hochglänzenden Gegenstand mit einer Probe vergleichen, die die gleiche Pigmentierung aufweist, aber matt oder strukturiert ist, empfindet unser Auge den hochglänzenden Gegenstand als dunkler. Und genau dieses Phänomen misst ein 45/0 Farbmessgerät:

Unterschiede in Glanz / Struktur ⇒ Farbdifferenzen

In unserem Beispiel unten ergibt sich eine Differenz zwischen den beiden Oberflächen: ΔE* = 3. Schwierig ist also eine Farbkonstanz bei Produkten, die aus mehreren verschiedenen Teilen zusammengesetzt werden.

Bei der Kugelgeometrie wird die Probe mittels einer weiß beschichteten Kugel diffus beleuchtet. Abschatter im Kugelinneren verhindern, dass das Licht direkt auf die Probenoberfläche fällt. Die Messung erfolgt unter einem Winkel von 8° zu letzterer.

Abb.9: Kugelgeometrie

Wir sehen, wie anspruchsvoll es ist, nicht nur visuell, sondern auch farbmetrisch die Farbtongleichheit zwischen genarbten Autostoßfängern und dem glatten Autoblech daneben sicherzustellen.